Methode zur Bestimmung der Adatomkonzentration von Dotierstoffen

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschreibt eine neue Methode für die Untersuchung der Oberflächensegregation von Dotierstoffen und diese basiert auf einer definierten Epitaxiesequenz. Das Wachstum dieser Schichtsysteme erfolgt mit der Methode der Molekularstrahlepitaxie. Mit einer ex-situ Tiefenprofilanalyse wird die Oberflächenkonzentration berechnet und die zugehörige Volumenkonzentration der Dotieratome direkt bestimmt. Dieses Experiment findet besonders Anwendung für Dotierstoffe mit einer Segregationsweite im Bereich einiger Nanometer, bei der übliche Verfahren versagen. Die Wachstumsparameter Siliziumrate und Dotierfluß werden innerhalb einer Probe konstant gehalten. Nur die Wachstumstemperatur wird während des Prozesses definiert geändert. Eine anschließende Schichtanalyse mißt die Tiefenverteilung der absoluten Konzentration der Dotieratome. Durch die definierten Temperatursprünge entsteht ein Konzentrationsprofil, aus dem sich zu jedem Sprung die zugehörige relative Änderung der Oberflächenkonzentration der Dotieradatome ermitteln läßt. Bei geeigneter Wahl der Referenztemperatur können sogar die zur Untersuchungstemperatur zugehörigen absoluten Konzentrationen der Adatome des Dotierstoffs bestimmt werden. Zusätzlich liefert die Tiefenprofilanalyse die zugehörige Volumenkonzentration. Aus diesen beiden Meßwerten berechnet sich die Segregationsweite. Am Beispiel der Dotierung des Elements Bor in Silizium mit einer (100) Oberfläche wird das Basisexperiment in seiner Anwendung ausführlich demonstriert. Zu jeder Gleichgewichtsdotierung in Abhängigkeit der Wachstumstemperatur läßt sich die zugehörige Adatomkonzentration bestimmen. Diese neue Methode liefert Daten für die Erzeugung eines scharfen Dotierprofils, indem vor dem Schichtwachstum die notwendige Borvorbelegung aufgelegt wird. Der Einfluß von Siliziumionen auf die Segregationseigenschaften bei der Dotierung von Silizium mit Bor wird mit dem Basisexperiment untersucht. Dabei ergibt sich eine Erhöhung der Oberflächenkonzentration der Boradatome nur durch das angelegte Substratpotential ab einer Spannung von 200 V. Der Ionenbeschuß vergrößert somit die Segregationsweite. Weiterhin läßt sich unter diesen Bedingungen auch eine Konzentrationsabhängigkeit der Borsegregation nachweisen. In weiteren Experimenten wird die Temperaturabhängigkeit der Segregation und der maximale Einbau von Bor in Silizium untersucht. Als zweite Anwendungsmöglichkeit des Basisexperiments werden die Segregationseigenschaften von Kohlenstoff im Material Silizium analysiert. In der aktuellen Forschung gewinnt das Materialsystem Silizium-Germanium mit einem geringen Anteil an Kohlenstoff, welcher im Dotierkonzentrationsbereich liegt, immer mehr an Bedeutung. Die Segregationseigenschaften dieses Systems sind bisher kaum untersucht worden. Jedoch bietet das Basisexperiment dafür die idealen Voraussetzungen. In dieser Arbeit wird die Segregation der Elemente Bor und Kohlenstoff im Materialsystem Silizium-Germanium mit Germaniumgehalten von 20% und 33% untersucht. Abschließend wird das Wachstum zweier spezieller Bauelementstrukturen vorgestellt, bei denen die Ergebnisse des Basisexperiments für die benötigten scharfen Dotierprofile eingesetzt werden.

This paper describes a new method for the investigation of dopant surface segregation and it is based on a defined epitaxy sequence. The layers are grown by molecular beam epitaxy. With an ex-situ depth profile analysis, the bulk and surface concentration of the dopant atoms are determined and calculated, respectively. This experiment is especially useful for dopants with segregation lengths in the range of nanometers where other methods fails. The growth parameters silicon rate and dopant flux are kept constant over the complete MBE-structure. Only the growth temperature is altered during the process. A following layer analysis measures the depth distribution of the absolute concentration of the dopant atoms. Through the defined temperature steps concentration profiles deviate from the flat one, from which the relative change of the surface concentration of the dopant adatoms, for each step, is determined. By suitable selection of the reference temperature, we can even determine the absolute concentration of the adatoms of the dopants at the investigated temperature. Additionally the depth profile analysis delivers the bulk concentration. From these two measurements the segregation length is calculated. The fundamental investigation and its application is comprehensively demonstrated. For every equilibrium doping level, at a given temperature, the surface adatom concentration can be determined. This new method delivers data for the growth of a sharp doping profile, in which the layer growth starts with the supply of an exact boron adlayer density of a fraction of a monolayer. The influence of silicon ions on the segregation properties, by doping of silicon with boron, is investigated with this basic experiment. The result is an increase of the surface concentration of the boron adatoms only using an electrical potential on the substrate of at least 200 V. The ion bombardment therefore increases the segregation length. Furthermore for these conditions a concentration dependent of the boron segregation is proven. In further experiments the temperature dependency of segregation and the solid solubility level of boron in silicon are investigated. As a second application we analyse with the fundamental investigation the segregation properties from carbon in the material silicon. In current research the material system silicon-germanium with carbon doping is of more and more importance. Before this work, the segregation properties of this system have been scarcely investigated. However this method is the ideal prerequisite to investigate material systems with several components. In this work the segregation of the elements boron and carbon in the material system silicon-germanium with germanium fraction from 20 % and 33 % is explored. Finally the growth of two special device structures is presented, by which the results from the fundamental investigation is used to obtain the required sharp doping profile.